Характеристики оптических волокон

Послеоптические сигналы путешествуютна определенном расстоянии по оптическому волокну они подвергаются затуханию и искажению, в результате чего входные и выходные импульсы оптического сигнала различаются. Это проявляется в ослаблении амплитуды и уширении формы оптических импульсов. Причиной этого явления является наличие потерь и дисперсии внутри оптического волокна. Потери и дисперсия являются наиболее важными параметрами, описывающими характеристики передачи оптических волокон, ограничивающими расстояние передачи и пропускную способность системы. В этом разделе в первую очередь обсуждаются механизмы и характеристики потерь и дисперсии оптического волокна.

★Характеристики оптических волокон (часть 2)

Характеристики потерь оптического волокна

Потеря оптического волокна приводит к затуханию сигнала, поэтому потерю оптического волокна также называют затуханием. По мере увеличения расстояния в оптическом волокне интенсивность светового сигнала уменьшается следующим образом: P(z)=P(0) /10 - (4) где P(z) — оптическая мощность на расстоянии передачи z; P(0) — входная оптическая мощность в оптическое волокно, т. е. оптическая мощность, инжектируемая в точке z=0; (λ) — коэффициент затухания оптического волокна на длине волны, дБ/км; L — расстояние передачи.

При t=L коэффициент затухания в волокне определяется как

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Когда рабочая длина волны λ равна дБ, а коэффициент затухания измеряется в дБ на километр, то A(λ) (единица измерения — дБ) выражается как:

А(Х)=10 lg[P(0)/P(L)]

Оптоволоконная связь развивалась параллельно с постоянными улучшениями в производстве оптического волокна, в частности, со снижением потерь в оптоволокне. Потери в оптоволокне являются одним из основных факторов, определяющих расстояние ретрансляции в системе оптоволоконной связи. Многие факторы способствуют потерям в волокне, в первую очередь потери на поглощение, потери на рассеяние и дополнительные потери, и механизмы, лежащие в основе этих потерь, довольно сложны. В следующем обсуждении в качестве примера используется кварцевое оптическое волокно, иллюстрирующее различные причины потерь.

Потеря поглощения

Потери на поглощение в основном включают собственное поглощение, поглощение примесей (радикалов ОН) и поглощение структурных дефектов. Собственное поглощение включает поглощение инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Инфракрасное поглощение — это поглощение энергии света, вызванное молекулярным резонансом, когда свет проходит через кварцевое стекло, состоящее из SiO2. Например, пики поглощения Si-O находятся на длинах волн 9,1, 12,5 и 21,3 мкм, а потери на поглощение оптического волокна достигают 10 дБ/км на длине волны 9,1 мкм. Поглощение ультрафиолета — это энергия, поглощаемая при переходе электронов на более высокие энергетические уровни под действием световых волн. Это поглощение происходит в ультрафиолетовой области и поэтому обычно называется ультрафиолетовым поглощением. Стеклянные материалы содержат ионы переходных металлов, такие как железо и медь, а также ионы OH-. Поглощение примесей - это потери, вызванные поглощением энергии света ступенями электронов, генерируемыми ионными колебаниями при возбуждении световой волны. Например, на длине волны 1,39 мкм затухание составляет 60 дБ/км, когда концентрация ионов OH- равна 1 × 10⁻⁶.

Потери на рассеяние

Потери на рассеяние — это потери, которые излучают световую энергию из оптического волокна в виде рассеяния. Это вызвано неоднородной-плотностью внутри волокна. К основным типам потерь на рассеяние в оптических волокнах относятся рэлеевское рассеяние, рассеяние Ми, вынужденное рассеяние Бриллюэна, вынужденное комбинационное рассеяние, дополнительные структурные дефекты и рассеяние на изгибах, а также рассеяние на утечках.

При производстве оптического волокна тепловое движение молекул в расплавленном стекле вызывает колебания плотности и показателя преломления внутри его структуры, что, в свою очередь, вызывает рассеяние света. Рассеяние, вызванное частицами, размер которых намного меньше длины волны света, называется рэлеевским рассеянием; Рассеяние, вызванное частицами той же длины волны, что и свет, называется рассеянием Ми.

Рэлеевское рассеяние является основной причиной потерь волокна. Рэлеевское рассеяние обладает свойством быть пропорциональным 1/λ коротковолновой волны, т. е. R=K/λ. Константа пропорциональности K связана со структурой и составом стекла. Как правило, чем выше температура стеклования и чем сложнее его состав, тем больше потери от рэлеевского рассеяния.

Рэлеевское рассеяние зависит от интенсивности падающего света. С другой стороны, вынужденное рассеяние Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние возникают, когда плотность энергии света превышает определенное высокое значение, и возникают в результате взаимодействия света и среды.

Дополнительные потери

Дополнительные потери (или прикладные потери) — это потери, возникающие из внешних источников, например, вызванные скручиванием волокна или боковым давлением во время строительства, монтажа и эксплуатации, что приводит к макро-изгибу и микро-изгибу волокна.

Причины потери волокна суммированы на рисунке.:

Дисперсионные характеристики оптических волокон

В физике дисперсией называют явление, при котором свет разных цветов рассеивается после прохождения через прозрачную среду. Луч белого света после прохождения через призму разделяется на семь-цветных полос. Это связано с тем, что стекло имеет разные показатели преломления для разных цветов (разные частоты или разные длины волн). Чем длиннее длина волны (или ниже частота), тем ниже показатель преломления стекла; чем короче длина волны (или чем выше частота), тем выше показатель преломления. Другими словами, показатель преломления стекла является функцией частоты (или длины волны) световой волны. Когда белый свет, состоящий из разных цветов, падает под одним и тем же углом θ, в соответствии с законом преломления (n=sinθ/n²), свет разных цветов будет иметь разные углы преломления из-за разных значений n², таким образом разделяя разные цвета света, что приводит к дисперсии. Поскольку n=c/n (где c — скорость света, c=3 × 10⁻⁶ м/с), ясно, что свет разных цветов распространяется внутри стекла с разными скоростями.

В теории распространения оптических волокон значение термина «дисперсия» расширилось. В оптических волокнах сигналы переносятся и передаются световыми волнами различных мод или частот. Когда сигнал достигает терминала, различные режимы или частоты световых волн испытывают различия в задержке передачи, вызывая искажение сигнала. Это явление в совокупности называется дисперсией. Для цифровых сигналов дисперсия вызывает уширение импульса после прохождения определенного расстояния по волокну. В тяжелых случаях последовательные импульсы будут перекрываться, образуя межсимвольную интерференцию. Таким образом, дисперсия определяет полосу пропускания оптического волокна и ограничивает скорость передачи системы или расстояние до ретранслятора. Дисперсия и полоса пропускания — одни и те же характеристики оптических волокон, описанные с разных точек зрения.

В зависимости от причин дисперсии дисперсию оптического волокна в основном разделяют на модовую дисперсию, дисперсию материала, волноводную дисперсию и поляризационную модовую дисперсию, которые будут представлены ниже.

Дисперсия мод

Модальная дисперсия обычно существует в многомодовых волокнах. Поскольку в многомодовом волокне сосуществуют несколько мод, а скорости группового распространения различных мод вдоль оси волокна различны, они неизбежно достигают терминала в разное время, что приводит к разнице во времени задержки и формированию межмодовой дисперсии, что приводит к расширению ширины импульса. Расширение импульса из-за модовой дисперсии показано на рисунке 2-10. Для идеального одномодового волокна, поскольку передается только одна мода (основная мода - LP или HE), модовая дисперсия отсутствует, но существует поляризационная модовая дисперсия.

Теперь оценим максимальную модовую дисперсию многомодового волокна со ступенчатым-индексом. Модовая дисперсия многомодового волокна со ступенчатым -индексом показана на рисунке 2-11. В многомодовом волокне со ступенчатым -индексом два самых быстрых и самых медленных луча — это луч ①, распространяющийся вдоль оси, и луч ②, падающий под критическим углом 0 градусов соответственно. Следовательно, максимальная модовая дисперсия в многомодовом волокне со ступенчатым индексом равна разнице во времени между временем, затраченным лучом ② (Tmax) и временем, затраченным лучом ① (Tmin) на достижение терминала, ΔT_{мультиплексор}: ΔT_{мультиплексор} = T_Макс / T_мин

Согласно геометрической оптике, в оптическом волокне длиной L скорости световых лучей ① и ② в осевом направлении равны c/n и sinθ·c/n соответственно. Следовательно, модовая дисперсия оптического волокна равна...

В слабонаправленных оптических волокнах (волокнах, где n_iи н_iотличаются очень мало), A=(n_i- н)/n. Если Δ=1%, n_i= 1.5 для кварцевых оптических волокон и длины волокна 1 км, то максимальная интермодальная дисперсия ΔT_mможно рассчитать как 50 нс. Следовательно, очевидно, что чем больше длина волокна, тем сильнее интермодальная дисперсия; и чем больше относительная разность показателей преломления Δ, тем сильнее интермодальная дисперсия.

Дисперсия материала

Поскольку показатель преломления материалов оптического волокна меняется в зависимости от длины волны света, групповая скорость разных частот оптического сигнала различается, вызывая разницу в задержке передачи - явление, известное как дисперсия материала. Эта дисперсия зависит от длины волны, характеристики показателя преломления материала оптического волокна и ширины линии источника света.

В цифровых волоконно-оптических системах связи выходной свет реального источника света не имеет одной длины волны, а имеет определенную спектральную ширину линии. Поскольку показатель преломления материала волокна является функцией длины волны, скорость распространения света внутри него (λ)=c/n(λ) также меняется в зависимости от длины волны. Когда световой импульс, излучаемый источником света с определенной спектральной шириной линии, падает на одномодовое волокно и распространяется, световые импульсы с разными длинами волн будут иметь разные скорости распространения, что приводит к разнице во времени задержки, когда они достигают выходного конца, что приводит к уширению импульса. Это механизм рассеивания материала.

Если известно, что групповая скорость равна u=da/dB, то групповая задержка на единицу длины равна T=1/v,=n,/c. Следовательно, дисперсия материала оптического волокна длиной L равна...

В формуле с — скорость света в вакууме; λ – показатель преломления сердцевины волокна; λ — длина волны света; и Aλ — спектральная ширина линии источника света, где Aλ=λ - λ, представляющая диапазон длин волн с центром в точке A. Обычно коэффициент дисперсии используется для измерения величины дисперсии. Коэффициент дисперсии D (единица измерения: пс/(нм·км)) определяется как...

Видно, что коэффициент дисперсии представляет собой дисперсию, вызванную источником света с единичной спектральной шириной линии, распространяющимся по единичной длине оптического волокна. Если известен коэффициент дисперсии материала оптического волокна, дисперсию материала можно легко рассчитать как ΔTm=DmAAL.

Пример 2-1. Предположим, что максимальный коэффициент дисперсии материала оптического волокна на длине волны 1,31 м составляет D=3.5пс/(нм·км). Если полупроводниковый лазер с центральной длиной волны 1,31 мкм используется для генерации пропускающего света со спектральной шириной линии λ=4 нм, рассчитайте дисперсию материала, вызванную этим светом, распространяющимся по оптическому волокну длиной 1 км.

Решение: Дисперсию материала оптического волокна можно легко рассчитать как:

T_m = D_mLΔA=3.5 пс/(нм·км) x 1 км x 4 морских мили=0.014 нс=14 пс

Как видно из примера 2-1, дисперсия материала относительно невелика, даже меньше, чем модовая дисперсия многомодового волокна со ступенчатым индексом. Следует также отметить, что коэффициент дисперсии оптического волокна (а не только коэффициент дисперсии материала) может быть положительным или отрицательным. В оптическом волокне групповая задержка (A) увеличивается с увеличением длины волны несущей; другими словами, световые волны с более короткой длиной волны распространяются быстрее. В этом случае коэффициент дисперсии отрицательный и называется отрицательной дисперсией; и наоборот, световые волны с большей длиной волны распространяются медленнее, чем световые волны с более короткой длиной волны.

Здесь коэффициент дисперсии положителен и называется положительной дисперсией. Очевидно, что если два оптических волокна с противоположными знаками коэффициента дисперсии соединить вместе, дисперсия материала улучшится.

волноводная дисперсия

Дисперсия волновода ΔTw относится к определенной направленной моде в оптическом волокне. Различные длины волн имеют разные фазовые константы, что приводит к разным групповым скоростям и, следовательно, к дисперсии. Дисперсия волновода также связана с различными факторами, такими как структурные параметры оптического волокна и относительная разница показателей преломления между сердцевиной и оболочкой; поэтому его также называют структурной дисперсией.

Дисперсия мод поляризации

Поляризационная модовая дисперсия – это тип дисперсии, уникальный для одномодовых-оптических волокон. Поскольку одномодовые волокна фактически передают две взаимно ортогональные моды поляризации, их электрические поля поляризованы вдоль направлений x и y соответственно.

Пропускная способность оптоволокна

Дисперсия и полоса пропускания оптических волокон описывают одну и ту же характеристику. Фактически, дисперсия описывает степень расширения светового импульса по оси времени после передачи; это описание характеристик волокна во временной области. С другой стороны, полоса пропускания описывает эту характеристику в частотной области. В частотной области для модулирующего сигнала оптическое волокно можно рассматривать как фильтр нижних частот. Когда через него проходят высокочастотные компоненты модулирующего сигнала, они сильно ослабляются. То есть, если амплитуда входного сигнала (модулирующего сигнала) остается постоянной, а меняется только частота, то амплитуда выходного сигнала после передачи по волокну будет меняться вместе с частотой модулирующего сигнала (входного сигнала). TTU-T рекомендует указать, что пропускная способность оптического волокна равна [пропускная способность на километр].